 |
Описание методики проведения работы
|
|
|
|
Лабораторная работа N1
Изучение, исследование и моделирование процесса
термической диффузии.
Цель работы: Изучение основных положений термической диффузии в полупроводниках, методов реализации термических процессов перераспределения примесей в объеме твердого тела, технологии диффузного легирования кремния.
Теоретическая часть
Диффузией называется процесс перемещение компонента из одной фазы в другую или внутри одной фазы.
При производстве современных изделий электронной техники (ИЭТ), в том числе электронно-оптических изделий, диффузия является одним из методов введения в объем твердого тела примесных атомов, определяющих тип проводимости и уровень легирования диффузионного слоя.
Таким образом, диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленный в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия.
Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:
,
где F – вектор плотности потока атомов вещества, 
С – вектор градиента концентрации диффундирующих атомов; D – коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии (см2/с) является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций.
Если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, на которой она происходит, то принимают, что диффузия идет в одном направлении. Одномерное уравнение Фика имеет вид:
|
|
|
,
где F(x) – плотность тока, или число атомов вещества, переносимых в единицу времени через единичную площадь; 
– градиент концентрации диффундирующей примеси в направлении диффузии.
Второй закон Фика определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Для одномерного случая оно имеет вид:
,
где 
- изменение концентрации диффундирующего вещества со временем. Если коэффициент D считать постоянным (что справедливо в большинстве практических случаев диффузии в полупроводниках), то уравнение имеет вид:
.
Одной из основных величин в уравнении Фика является коэффициент диффузии D. D описывается соотношением Аррениуса:
,
где D0 – константа диффузии, которая в диапазоне 900 – 1200 оС не зависит от температуры (физический смысл величины D0 связан с частотой атомных скачков или с величиной собственных колебаний решетки ≈1013 Гц и величиной скачка атома в примеси), k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, Eакт – энергия активации процесса диффузии. Eакт – энергия, необходимая для удаления атома из кристаллической решетки твердого тела.
В соответствии с основными видами дефектов различают два основополагающих вида диффузии для реальных кристаллов – междоузельный и вакансионный.
Для практических реализаций диффузионных процессов особый интерес представляют два случая диффузии:
1 – диффузия из бесконечного источника, когда в поверхностные слои твердого тела вводятся примесные атомы, концентрация которых на поверхности остается постоянной в течение всего процесса диффузии.
2 – диффузия из конечного источника. Этот случай соответствует условиям, когда в тонком поверхностном слое полупроводника создана избыточная концентрация примеси С0, а образец подвергается дополнительной высокотемпературной обработке.
|
|
|
В зависимости от способа введения в полупроводники диффузанта различают диффузию из газовой (или паровой) фазы, из жидкой фазы и из твердой фазы.
Твёрдые диффузанты. Фосфор. Наиболее распространенным источником является безводная пятиокись фосфора (фосфорный ангидрид) 
.
Другими источниками в твёрдой фазе являются нитрид фосфора 
, дигидрофосфат аммония 
, гидрофосфат аммония 
.
Бор. Самым распространённым источником в твёрдой фазе для диффузии в открытой трубе является борный ангидрид 
или борная кислота, которая при высокой температуре дегидратируется с образованием . Температура источника составляет около 900 ºС. Обычно и 
используют в смеси с 
, т.к. соприкосновение чистого с кварцем вызывает его расстекловывание.
Жидкие диффузанты. Фосфор. В качестве жидких диффузантов используют оксихлорид фосфора 
, трихлорид фосфора 
и пентафторид фосфора 
. Обычно жидкие источники реагируют с избытком кислорода и образованием .
Бор. Наиболее распространён трёхбромистый бор 
. В газ-носитель добавляют кислород для окисления до и для защиты поверхности от образования чёрных нерастворимых отложений.
Газообразные диффузанты. Фосфор. Для диффузии фосфора в открытой трубе обычно используют фосфин 
(токсичен).
Бор. В качестве газ. источников бора используют трёххлористый бор 
и диборан 
(токсичен, легко воспламеняем). Пиролиз происходит при Т > 300 ºC.
В диффузионных структурах обычно контролируют глубину залегания p-n-перехода, поверхностную концентрацию, характер распределения диффундирующей примеси и значение градиента концентрации примеси в области p-n-перехода.
Описание методики проведения работы
Рисунок 1. Схема диффузионной печи.
Ход работы:
1. Получили у лаборанта рабочие кремниевые пластины и контрольные пластины для определения основных параметров диффузионных слоёв.
2. Измерили поверхностное сопротивление на контрольных пластинах на установке ИУС.
RS1=37,3 Ом/ð
3.Стравили остатки окисла на контрольных пластинах в плавиковой кислоте (HF)
4.Поместили пластины в пазы кварцевой кассеты.
5.Медленно ввели кассету с пластинами в рабочую зону печи с помощью кварцевого толкателя.
6.Провели диффузию бора. Температура в рабочей зоне печи 950±1ºС, время воздействия 30 мин.
|
|
|
7.Извлекли пластины из печи и удалить образовавшееся БСС в растворе плавиковой кислоты.
8.Промыли пластины дистиллированной водой и просушили их.
9.Измерили поверхностное сопротивление сформированного диффузионного слоя на контрольных пластинах на установке ИУС.
RS2=32,8 Ом/ð
Вывод:
В ходе подготовки и выполнения лабораторной работы изучили основные положения термической диффузии в полупроводниках, методы реализации термических процессов перераспределения примесей в объеме твердого тела, технологии диффузного легирования кремния. Применили полученные знания в процессе диффузии нитрида бора в кремнии. Поверхностное сопротивление кремниевой пластинки после легирования нитридом бора уменьшилось.
|
|
|
